Meer kracht minder slijtage | Maritiem Nederland
Techniek&Innovatie

Windturbines krijgen grotere en betere bladen


Meer kracht minder slijtage



Allison Balogh | dinsdag 16 november 2021
Offshore Wind

Naarmate de windturbines in Europa groter worden – met bladen die binnenkort langer zijn dan een voetbalveld – is de grootste uitdaging om meer vermogen te leveren met minder slijtage. Door oppervlakte-erosie aan te pakken met een combinatie van verbeterde coatings en slimmere detectiemethoden, kunnen de bladen van windturbines langer dienst doen.

Windenergie moet de grootste bijdrage leveren aan het klimaatneutraal worden van Europa, een doelstelling die de EU tegen 2050 wil bereiken. Technologie en instrumenten van eigen bodem helpen het continent niet alleen zijn klimaatdoelstellingen te halen, maar versterken tegelijkertijd het concurrentievermogen van het EU-windecosysteem op het wereldtoneel en creëren nieuwe groene banen.

The winds of change

In 2020 voorzag windenergie in ongeveer 16% van de Europese elektriciteitsbehoefte, waarbij een meerderheid van de installaties op het land te vinden was en een kleiner deel offshore. Europa wil de lat aanzienlijk hoger leggen; de ambitie is de totale stroomopwekking uit wind in de komende vijf jaar met 50% te verhogen. Dit wordt niet alleen bereikt door meer installaties (vooral op zee) neer te zetten, maar ook door windturbines die meer vermogen kunnen opwekken dan hun voorgangers en minder downtime voor onderhoud en reparaties.

Windturbines zijn enorm groot en onderworpen aan zeer zware werkomstandigheden. Stel je een voetbalveld voor dat op de winderigste plekken op aarde met 15 tot 20 omwentelingen per minuut ronddraait in de lucht.
Tussen 2000 en 2018 is de gemiddelde lengte van windturbinebladen meer dan verdubbeld. Nieuwere modellen zullen naar verwachting in 2025 een lengte van meer dan 85 m bereiken. Sommige offshore turbines zullen in de nabije toekomst draaien met bladen van 110 m lang: een rotatiediameter met de lengte van twee voetbalvelden.

Hoe groter de bladen, hoe sneller de tips bewegen – en hoe groter de erosie aan de uiteinden. De industrie heeft een geweldige technologische vooruitgang geboekt op het gebied van materialen, ontwerp en fabricage. Maar het is een enorme uitdaging om nog grotere bladen in te zetten die meer kracht leveren met minder slijtage.

Door de EU gefinancierd onderzoek laat zien dat het mogelijk is de turbinebladen beter bestand te maken tegen degradatie, dei toeneemt met grotere bladen en onder extreme weersomstandigheden. Daarnaast komt betere monitoring binnen bereik om defecten vroegtijdig op te sporen, zelfs al tijdens de fabricage.

Een harnas dat ‘meegeeft’

Om de krachten van de natuur en de enorme krachten die de rotatie zelf genereert te weerstaan, worden bladen geproduceerd met een meerlaags 'harnas'. Doorgaans erodeert de buitenste laag tijdens het gebruik van de windturbine en kunnen de binnenste lagen losraken.

Volgens Asta Šakalytė, R&D directeur bij Aerox Advanced Polymers in Valencia, hebben de huidige middelgrote windturbines doorgaans na tien jaar uitgebreid onderhoud nodig als gevolg van slijtage aan de bladen, hoewel de turbines in theorie een levensduur van 25 jaar hebben. Nieuwere exemplaren met grotere rotatiediameters vertonen zelfs al ernstige erosie tegen het tweede jaar van gebruik. Om de erosie aan te pakken, heeft Aerox AROLEP® ontwikkeld, een gepatenteerd geavanceerd beveiligingssysteem dat nu marktrijp is dankzij de resultaten van het LEP4BLADES-project (een acroniem voor het Innovative Leading Edge Protection System for Wind Turbine Blades, red.).

'Van de miljarden euro's die jaarlijks naar het onderhoud van windturbines gaan, is een derde bestemd voor inspectie en reparatie van bladcoatings'

In tegenstelling tot conventionele coatings die je op de turbinebladen aantreft, is de coating van Aerox visco-elastisch, wat betekent dat hij ‘meegeeft’ of, beter gezegd, vervormt onder spanning en terugveert. ‘Dit effect wordt bereikt door een combinatie van twee polymeren met verschillende complementaire eigenschappen’, vertelt Šakalytė. ‘De AROLEP®-coating kan schokken met hoge snelheid en hoge frequentie absorberen die worden veroorzaakt door regendruppels en andere deeltjes die het uiteinde van het blad raken. De modificatie van polymeereigenschappen zorgt ervoor dat de coating en bladmaterialen samenwerken, zodat de impacteffecten door de hele structuur van het blad verdwijnen.’

Onafhankelijke prestatietests laten zien dat AROLEP® de integriteit van de bladen beter beschermt dan welke andere beschikbare oplossing dan ook – en het kan zowel worden gebruikt voor nieuwe turbinebladen als voor bladen die in gebruik zijn.

Naar verwachting zullen ook consumenten profiteren van de marktintroductie. De aanzienlijke besparingen op onderhoud, reparatie en uitvaltijd leiden immers tot lagere kosten voor de productie van windenergie. In de tussentijd gaat Aerox door met het verbeteren van de formule en richt het zich op nieuwe coatings en lijmen voor toekomstige bladen om een zero-waste productieproces dichterbij te brengen.

Waken voor blad-defecten

Coatings zijn bedoeld om schade aan de bladen tot een minimum te beperken, maar ze kunnen die niet volledig voorkomen. Een verbeterde monitoring van de staat van de turbinebladen kan defecten vroegtijdig opsporen voordat de weegschaal kantelt en reparatie of vervanging grote financiële en praktische problemen met zich meebrengt.

Blad-defecten zijn allesbehalve klein bier voor de windturbine-industrie. Ongeveer een derde van de miljarden euro's die jaarlijks naar de exploitatie en het onderhoud van windturbines gaan, is bestemd voor inspectie en/of reparatie van bladcoatings.

Visuele inspectie plaats tijdens het onderhoud is onvoldoende om eventuele gebreken onder het oppervlak op te sporen (foto: Altitec). Tekst gaat verder onder de foto.

Tot nu toe was het niet mogelijk om interne defecten in bladcoatings te identificeren. Doorgaans vindt visuele inspectie plaats tijdens fabricage en onderhoud, maar deze methode mist gebreken die onder het oppervlak op de loer liggen.

Zelfs technologisch geavanceerde inspectiemethoden met inductieve en ultrasone technologie schieten tekort als het gaat om de coatings op windturbinebladen. Voor deze methoden is ‘contact’ nodig dat bladen en coatings kan beschadigen, vooral als ze nat zijn. Bovendien kunnen ze geen afzonderlijke lagen analyseren, alleen de totale dikte.

'Door oppervlakte-erosie aan te pakken met verbeterde coatings én slimmere detectiemethoden kunnen windturbinebladen langer dienst doen'

Het terahertz (THz)-gebied van het elektromagnetische spectrum – tussen microgolf- en infraroodfrequenties – biedt wellicht mogelijkheden om door multilaagse coatings ‘te kijken' en de chemische samenstelling en elektrische eigenschappen te identificeren. Het voordeel van deze inspectie is dat dit gebeurt op een niet-destructieve en niet-invasieve manier.

Terahertz-technologie

Tot een paar decennia geleden waren de mogelijkheden van deze in theorie veelbelovende methode moeilijk te benutten, deels vanwege de uitdaging om Terahertz-golven efficiënt te genereren en te detecteren. Maar daar komt nu verandering in met de gepatenteerde THz-technologie die speciaal voor industrieel gebruik door het bedrijf Das-Nano (in Tajonar, nabij Pamplona) is ontwikkeld en in het kader van het NOTUS-project op de markt is gebracht. Ook het NOTUS-onderzoek (‘Solving the Achilles’ Heel of Wind Power) is door de Europese Commissie gefinancierd.

‘NOTUS is de eerste contactloze tool voor niet-destructief materiaalonderzoek, speciaal ontworpen voor inspectie van windturbines. Het kan kan individuele lagen van elke coatingstructuur en elk blad diepgaand identificeren, onafhankelijk van het materiaal, waardoor de hechting tussen de lagen kan worden gekwantificeerd’, zegt Eduardo Azanza, Chief Executive Officer van Das-Nano en coördinator van het NOTUS-project.

NOTUS is beschikbaar in drie versies voor toepassingen tijdens de levenscyclus van de turbinebladen. De tool biedt ondersteuning bij de ontwikkeling, productie, operatie en inspectie van windturbines door personeel of verzekeraars. Hiermee kunnen windparkbeheerders ongeveer 10% op de kosten van operating & maintenance besparen, schat Azanza.

Niet alleen windparken zullen hiervan profiteren. NOTUS is toepasbaar op allerlei meerlaagse ondergronden, waaronder metaal, composiet en kunststof. Het is geschikt voor vlakke en gebogen oppervlakken en zowel voor droge, natte als uitgeharde coatings.

De THz-technologie maakt ook elektrische karakterisering mogelijk van geavanceerde materialen zoals grafeen, 2D-materialen, dunne films en bulkmaterialen.

Azanza: ‘Das-Nano heeft NOTUS op de markt gebracht, een technologie voor snelle en niet-destructieve inspectie van elk afzonderlijk product in een productielijn, waarbij defecte onderdelen zo vroeg mogelijk worden geïdentificeerd.’

Dit artikel is gepubliceerd in Horizon Magazine. Het onderzoek dat wordt besproken is gefinancierd door de EU.

Erosie zorgt voor merendeel ongeplande reparaties aan windturbinebladen

Wist je dat windturbinebladen 12 keer vaker stilvallen door oppervlakte-erosie dan door structureel falen? Dit probleem is veel ernstiger bij offshore-installaties, die doorgaans grotere bladen hebben en onderhevig zijn aan zwaardere weersomstandigheden.

Interne erosie, die onder de oppervlakte van de coatings op de loer ligt, is moeilijk te detecteren en zeker niet op afgelegen locaties bij zwaar weer. Of storingen nu reparaties of de totale vervanging van installaties vereisen, het langdurig uitvallen van de turbines vermindert de stroomopwekking en zadelt operators op met enorm dure kranen ter plaatse en kostbaar herstelwerk.

Door oppervlakte-erosie aan te pakken, met een combinatie van verbeterde coatings en slimmere detectiemethoden, kunnen de bladen van windturbines langer dienst doen.

Aanmelden nieuwsbrief

Meld je nu aan voor de nieuwsbrief en blijf op de hoogte van het laatste nieuws van Maritiem Nederland.

Abonneer je nu!

Bestel nu GRATIS 2 proefnummers

Bent u nog niet bekend met Maritiem Nederland? Vraag dan hier uw proefabonnement aan!

Bestel nu GRATIS 2 proefnummers

Word ook abonnee!

Neem nu een abonnement en ontvang elke maand hèt vakblad voor de maritieme sector op de deurmat.

Sluit nu een abonnement af

Partners Maritiem Nederland